JP7428259B2 - 方向性電磁鋼板およびその製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、方向性電磁鋼板、中でも磁区細分化処理に供する方向性電磁鋼板およびその製造方法に関し、具体的には、優れた磁気特性と被膜特性を有する方向性電磁鋼板およびその製造方法に関するものである。
方向性電磁鋼板は、主にトランスの鉄心材料として使用されることから、磁気特性に優れること、特に鉄損の低いことが強く求められている。そのため、方向性電磁鋼板は、従来、冷間圧延したSi含有鋼板に、一次再結晶焼鈍を兼ねた脱炭焼鈍を施し、MgOを主剤とする焼鈍分離剤を塗布した後、仕上焼鈍において二次再結晶を起こさせ、結晶粒を｛１１０｝＜００１＞方位（いわゆるゴス方位)に高度にそろえる方法で製造している。
上記仕上焼鈍は、二次再結晶させる焼鈍と、最高1200℃程度の温度まで昇温する純化処理を合わせて10日間程度の期間を要する。そのため、通常、コイルに巻いた状態で焼鈍を施すバッチ焼鈍により行われている。
ここで、上記仕上焼鈍中において、脱炭焼鈍時の鋼板表面に形成されるSiO２を主体としたサブスケールと、脱炭焼鈍後に鋼板表面に塗布したMgOを主剤とする焼鈍分離剤とが、MgO＋SiO２→Mg２SiO４の反応を起こすことで、鋼板表面にフォルステライト被膜が形成される。
かかるフォルステライト被膜は、鋼板に絶縁性や耐食性を付与することの他に、鋼板表面に引張り応力を付与して磁気特性を改善する効果がある。そのため、フォルステライト被膜には、均一で密着性に優れることが要求される。
近年、省エネルギーに対する要求を背景として、方向性電磁鋼板には更なる鉄損特性の改善が求められるようになってきている。そのために、平坦化焼鈍まで終了した方向性電磁鋼板に、レーザーや電子ビーム、プラズマ等を照射して加熱し、局所的な歪を加えることにより、鉄損を改善することが行われている。
しかしながら、このような局所的な加熱を行うと、熱歪により被膜が部分的に剥離することがある。もしもこのような被膜剥離部が存在すると、耐食性や絶縁性を劣化させることになる。そこで、これを防ぐために再度コーティングを塗布、焼き付けしなければならない。
このように工程を余分に取ることは、コストアップの要因や、せっかく与えた局所的熱歪が解放されて鉄損が十分に下がらないといった、問題につながる。
かかる問題を解決する方策として、各種対策が提案されている。例えば、特許文献１には、被膜と地鉄の界面にSeの濃化部を有し、濃化部の割合を所定のレベルに制御したうえで、電子ビームを照射する方法が開示されている。
特許文献２には、最終仕上げ焼鈍済みの方向性電磁鋼板の表面に、電子ビームを照射して磁区細分化処理を行うに際し、前記方向性電磁鋼板を50℃以上に加熱したのち、磁区細分化処理を施す方法が開示されている。
特許文献３には、鋼板表面を蛍光Ｘ線分析で定量分析したときのTi、Al強度をFX(Al)およびFe強度と特定の関係に収めること、そのために、最終仕上焼鈍を特定のヒートパタン内に収めること、が開示されている。
特許文献４には、下地被膜に、窒素化合物をＮ換算で0.02ｇ/ｍ２以上含有し、さらに、下地被膜と鋼板との接触度を特定の範囲に収める方法が開示されている。
特開２０１２－５２２３２号公報 特許第６４６５０５４号公報 再表２０１５－４０７９９号 特開２０１２－９２４０９号公報
これら先行技術のうち、まず特許文献１については、被膜を改善するとSeが濃化し、これに起因して磁区細分化時に被膜が破壊されやすくなるが電子ビームではそうならない、との知見によるものであり、電子ビーム以外の方法、例えばレーザーやプラズマジェットによる磁区細分化では用いることができない。
さらに、Seの濃化以外にもS、Al等の濃化も考慮する必要があり、それらをいずれも所定の範囲に収めることは、元素ごとに濃化状態が異なるため困難であった。
なお、特許文献１では、Seの濃化以外にもSやAlの濃化が挙げられているものの、それらのいずれを採用しても、コイル状態で仕上焼鈍するため、全長全幅で温度、雰囲気を均一にすることができず、コイルのすべての領域を所定の範囲内におさめることは困難である。そのため、特許文献１に記載された限定範囲に収めることは困難であった。
また、かかる技術には、電子ビームを用いた場合であっても、鉄損改善効果を高めるために磁区細分化する際の照射エネルギーを高めると、やはり被膜剥離するとの問題が残っていた。
特許文献２に記載の方法でも同様に、電子ビームによる磁区細分化に限定されており、プラズマジェットやレーザーによる磁区細分化では効果が認められていない。加えて、電子ビーム照射前後の真空部で加熱と冷却を行うために、大きな設備コスト及びランニングコストがかかるという問題があった。さらに、電子ビームを用いた場合には、前記特許文献１にかかるものと同じ問題が残っていた。
特許文献３では、仕上焼鈍の400～650℃までを急加熱した後700～850℃までを徐熱するという、不自然なヒートサイクルをとる必要があるため、コイルに巻いた状態で焼鈍するには、焼鈍炉の排熱に過大なコストがかかる。また、コイル全長全幅にわたってこの条件を満足させることは困難であり、良好な条件で均一に被膜を被成させる点について問題が残っていた。
特許文献４では、下地被膜と地鉄との界面の長さを調節することに加え、窒化物を形成させるための仕上焼鈍のガス供給量、コイル巻き取り張力および焼鈍分離剤中の水分量を特定する必要がある。しかしながら、コイル位置により水分が滞留しやすい場所としにくい場所があること、また巻き取り張力のかかりやすい部分とかかりにくい部分があること、などから、コイル全面にわたって均一な被膜を得ることは困難であった。
以上述べたように、磁区細分化処理による被膜剥離を防止する方法は、未だ十分とは言い難い状況にあった。さらに、近年の省エネルギーのニーズの高まりとともに、鉄損をさらに改善するために磁区細分化処理の照射エネルギーを増大させていく傾向にあり、従来では被膜剥離防止に効果が認められた対策であっても、近年では十分な効果が得られないとの問題が生じている。
本発明は以上の事情に鑑みてなされたものであって、下地被膜の成分を調整して物理特性を改善することにより、磁区細分化処理を行った際の被膜密着性を確保した、方向性電磁鋼板およびその製造方法について提案するものである。
本発明の要旨構成は以下のとおりである。
１．セラミックス質の被膜を有し、Ｍｎを含有する方向性電磁鋼板において、該被膜の、Ｍｎ＋Ｆｅ濃度が0.05mass％以上、かつヤング率が108～144GPaである方向性電磁鋼板。
２．前記１に記載の方向性電磁鋼板を製造する方法であって、
Ｍｎを含有する方向性電磁鋼板用鋼素材を、熱間圧延し、次いで１回または中間焼鈍を挟む２回以上の冷間圧延により最終板厚とし、さらに一次再結晶を兼ねた脱炭焼鈍を施した後、鋼板表面に50mass％以上のMgOを含有する焼鈍分離剤を塗布して仕上焼鈍し、必要に応じて上記仕上焼鈍後の未反応分離剤を除去したのち平坦化焼鈍する方向性電磁鋼板の製造方法であって、
上記脱炭焼鈍の条件を、焼鈍温度：700～900℃、均熱時間：30～300秒、均熱工程の少なくとも前段での湿水素雰囲気の露点：45～60℃の範囲内において、それぞれ調整することにより、上記脱炭焼鈍後の鋼板表面の、フーリエ変換赤外線吸収スペクトル法（FTIR）によって測定される、ファイヤライト、クリノフェロシライトおよびシリカの吸光度をそれぞれA1、A2およびA3としたときの、｛(A1＋A2)／（A1＋A2＋A3）｝×100を45％以上にするとともに、
上記仕上焼鈍において、少なくとも950℃から1100℃までの温度範囲をＨ２含有雰囲気とし、かつ上記温度範囲のガス流量を鋼板の表面積１ｍ２当たり1.0×10－５～7.6×10－５（NL／min）の範囲とする方向性電磁鋼板の製造方法。
この発明によれば、被膜密着性に優れる方向性電磁鋼板を提供することができる。特に、磁区細分化処理での被膜剥離が防止されることで、該被膜による耐食性、絶縁性を維持できるとともに、より高いエネルギー密度で磁区細分化処理を行うことができるので鉄損を効果的に低減することができる。
以下、本発明を開発する契機となった実験について述べる。
＜実験１＞
Ｃ：0.06mass％、Ｓｉ：3.3mass％、Ｍｎ：0.07mass％、Ａｌ：0.03mass％およびＮ：0.01mass％を含有する鋼を溶製し、連続鋳造法で鋼スラブとした後、1400℃に加熱し、熱間圧延して板厚2.2mmの熱延板とし、1000℃×60秒の条件の熱延板焼鈍を施した後、一次冷間圧延して中間板厚を1.7mmとし、1100℃×80秒の条件の中間焼鈍を施した後、200℃の温間圧延により最終板厚0.23mmの冷延板とした。
次いで、50vol％H２－50vol％N２の雰囲気で、露点を種々に変更して830℃で100秒保持する脱炭焼鈍を施すことにより、鋼板表面の生成酸化物を変化させた。その後、酸化マグネシウムを主体とする焼鈍分離剤を鋼板表面に塗布して乾燥した。
かかる鋼板に対し、仕上焼鈍として、700℃までをN２雰囲気、700℃から1200℃までを75vol％H２＋25 vol％N２雰囲気で25℃/hで昇温する条件の熱処理を行い、引き続いて1200℃で10時間、H２雰囲気で保定する純化を兼ねた仕上焼鈍を行った。なお、この仕上焼鈍は、その昇温過程において、ガス流量を種々に変更して行った。
このようにして得られた各種のフォルステライト質の被膜（セラミック質の被膜であり、以下単に下地被膜といった場合はフォルステライト質の被膜を意味する）を有する仕上焼鈍板について、下地被膜のヤング率をナノインデンテーションにより評価するとともに、下地被膜中のＭｎおよびＦｅの濃度をオージェ電子分光法により定量した。
なお、ナノインデンテーション法とは、測定対象へ圧子を押し込み、その際の荷重と深さを連続的に測定し、押し込み深さと荷重との関係から複合弾性率を算出する方法である。このナノインデンテーション法は、マイクロビッカース法と比較して圧子の押し込み深さが小さいため、薄膜の物性試験を行う際に一般的に用いられる。
その測定条件としては、ダイヤモンド製の三角錐圧子（バーコビッチ型、頂角：60°）を用いて、下地被膜に対し、任意の３箇所で負荷時間：５秒、除荷時間：２秒、最大荷重：1000μＮとして圧子を押し込む、室温での線形荷重付加方式とした。
また、オージェ電子分光法は、電子線を照射したときに放出されるオージェ電子の運動エネルギー分布を測定するものである。オージェ電子の脱出深さが数nm以下に限られるため、地鉄の影響を受けずに下地被膜部分のみの各種成分濃度の分析を行うことができる。
その後、前記純化焼鈍後の鋼板である仕上焼鈍コイルにコーティング剤を塗布し、乾燥後800℃で20秒の条件の平坦化処理を施して製品板とした。かかる製品板に、照射パワーを3.0ｍＪ/mm２としてレーザー照射して磁区細分化処理を施し、照射後の製品板における被膜の剥離の有無を顕微鏡観察により調査した。
なお、上記レーザー照射は、その他、照射ピッチ：10mmで圧延方向に直角となる条件で行った。
この観察結果を表１に示す。
Figure 0007428259000001
表１から、下地被膜のヤング率が108～144GPaでかつ、下地被膜中の（Ｍｎ＋Ｆｅ）濃度が0.05mass％以上の領域において、被膜剥離が観察されず、良好な被膜が得られていることがわかる。
このような結果が得られた原因について、本発明者らは以下のとおり考える。
まず、下地被膜のヤング率が上記の範囲になると被膜の耐剥離性が改善される理由については以下のとおりである。
そもそも、磁区細分化のために熱ひずみを加えたときに被膜が剥離するのは、ごく短時間に加熱されることにより局所的に熱膨張し、かかる熱膨張部位が冷却される際に鋼板と被膜の間の熱膨張率差からせん断応力が生じ、被膜の破壊抵抗応力を超えるため剥離している。
よって、このような剥離を防ぐためには、被膜の熱応力による破壊抵抗を高めることが効果的と考えられる。そして、この破壊抵抗を高めるためには、被膜のヤング率を下げることが有効となる。これは、熱膨張によるせん断応力はヤング率が高いほど高まるからである。一方、被膜のヤング率は低いほど良いというわけではなく、108GPa未満になると、被膜が鋼板に与える引張り張力が低下し、鉄損が高くなってしまい好ましくない。
他方、Ｆｅ、Ｍｎが被膜中に導入されると被膜の耐剥離性が改善される理由については以下のとおりである。
Ｆｅ、Ｍｎは、被膜中、金属状態や、他の化合物（硫化物、酸化物、ケイ酸塩等）の状態として存在していると考えられるが、これらの化合物は下地被膜の主成分であるフォルステライトよりも熱膨張率が相対的に大きく、鉄に近いため、加熱による熱膨張が起こりにくくなって被膜剥離が防止される。また、Ｆｅ、Ｍｎ自体が被膜のヤング率を下げる働きもある。
次いで、本発明者らは、このように下地被膜のヤング率とＦｅ＋Ｍｎ濃度を制御する因子について調査を行った。ここで、ファイアライト、クリノフェロシライトおよびシリカの吸光度に着目したのは、次の理由による。すなわち、いずれも焼鈍分離剤中のMgOと反応して下地被膜であるフォルステライトを形成するからである。
かくして得られた測定値につき、ファイアライトの吸光度A1とクリノフェロシライトの吸光度A2との和がファイアライト、クリノフェロシライトおよびシリカの吸光度A1、A2およびA3の総和に占める比率（以下、吸光度比の和とも示す）を、前記表１に併記する。なお、鋼板表面の、FTIRによって測定される、ファイアライト、クリノフェロシライトおよびシリカの吸光度をそれぞれA1、A2およびA3とする。また、FTIRの測定方法および吸光度の測定方法としては、特開2005-69917号公報に記載の方法を用いた。
なお、本発明において、上記吸光度比の和は、以下の式１によって求められる値を用いる。
すなわち、ファイアライトの吸光度比＝[A1／(A1＋A2＋A3)]×100、クリノフェロシライトの吸光度比＝[A2／(A1＋A2＋A3)]×100となる。そして、ファイアライトの吸光度比とクリノフェロシライトの吸光度比との和は、以下のとおりとなる。
吸光度比の和＝[A1／(A1＋A2＋A3)]×100＋[A2／(A1＋A2＋A3)]×100
＝｛(A1＋A2)／（A1＋A2＋A3）｝×100・・・式１
また、表１に、上記した仕上焼鈍の950～1100℃の温度範囲において仕上焼鈍炉内に供給した雰囲気ガスのコイル表面積当たりのガス流量について併記する。
表１に示すように、ファイアライトとクリノフェロシライトの吸光度比の和が高いほど下地被膜中のＦｅ＋Ｍｎ濃度が増大する傾向にあるが、これに加えてガス流量を調節することによって、Ｆｅ＋Ｍｎ濃度がさらに高まる傾向にあることがわかる。
さらに、下地被膜のヤング率についても、ファイヤライトとクリノフェロシライトの吸光度比の和、およびガス流量が大きく影響しており、これらをそれぞれ45％以上、鋼板表面積当たり1.0×10－５～7.6×10－５NL/minの範囲に収めることによって、下地被膜のＦｅ＋Ｍｎ濃度が高まりヤング率が108～144GPaの範囲に収められていることがわかる。
ここで、以上の結果が得られた原因について、本発明者らは以下のとおり考える。
ファイアライトとクリノフェロシライトはFe２SiO４とFeSiO３であらわされるが、実際には、Ｍｎを含む鋼板中において、ＦｅとＭｎは相互置換しあい、(Feｘ,Mn１－ｘ)2SiO４、(Feｘ,Mn１－ｘ)SiO３のような形となる。これらが、仕上焼鈍中にはさらにＭｇと相互固溶しあって、
(Feｘ,Mn１－ｘ) 2SiO４＋MgO→(Feｙ,Mnｚ,Mg１―ｙ－ｚ) 2SiO４＋(Feｘ－ｙ,Mn１―ｘ－ｚ,Mgｙ＋ｚ)O
(Feｘ,Mn１－ｘ) SiO３＋MgO→(Feｙ,Mnｚ,Mg１―ｙ－ｚ)SiO３＋( Feｘ－ｙ,Mn１―ｘ－ｚ,Mgｙ＋ｚ)O
といった形で、Ｍｇが該化合物内に侵入するとともに、Ｆｅ、Ｍｎが該酸化物外に放出され、それが最終的には下地被膜中のＦｅ、Ｍｎ化合物となって残存することになる。すなわち、ファイヤライトやクリノフェロシライトを一定量以上確保することによって、下地被膜中のＦｅ＋Ｍｎ量を確保することができるもの、と考えられる。
加えて、仕上焼鈍中の雰囲気ガス条件についていえば、被膜形成には、仕上焼鈍温度域で950～1100℃の温度範囲での挙動が極めて重要である。これは、この温度範囲でフォルステライト形成反応が本格的に始まるためである。そして、かかる温度範囲では雰囲気中にＨ２を導入することが重要である。これにより、MgOの体拡散が促進されたり、内部酸化膜中のシリカが鋼板表層に移動したりすることによって、被膜の形成がしやすくなる。なお、上記導入されたＨ２の濃度は特に限定されないが、５vol％程度以上の範囲が好ましい。また、上限は100vol％であってもよい。
ここで、ガス流量が多いと雰囲気中のＨ２によるMgOの拡散の働きがより強まる。これは、上記のようなＭｇとＭｎやＦｅとの置換反応も促進されることを意味する。その結果、被膜中にトラップされていたＭｎやＦｅがMgO中に拡散してしまう。すなわち、被膜中のＦｅ、Ｍｎ量が低下することになる。一方、ガス流量を適度に低下させると、Ｈ２による内部酸化中のシリカの表層移動を進めつつＭｎやＦｅのMgO中への拡散を抑制し、ＭｎやＦｅを効果的に被膜中に残すことができる。
なお、ガス流量が多いと、フォルステライト形成能が過度に高まりすぎることにもなる。その結果、得られるフォルステライト被膜は粒径が粗大化したり、気孔率が低下したりすることによってヤング率が増大する。こうした点から、ガス流量は、適度に低下させることが必要となる。一方、ガス流量を過度に低下すると、ガスを入れる効果そのものが低下してしまう。その結果、被膜形成が不良となって被膜の形態が劣化し、磁区細分化を行わなくても被膜が剥離するほどになってしまう。
本発明では、ガス流量は鋼板表面積当たりで制御することが重要である。通常、方向性電磁鋼板の仕上焼鈍は、コイルに巻かれた形でバッチ式焼鈍炉によって行われる。ここで、ガス流量は、焼鈍炉のベルの内容積に応じてガス置換回数が適正となるように設定される。例えば、炉内容積が10ｍ３とすれば、ガス流量は通常1.5～６NL/minで行われる。しかしながら、本発明では、鋼板表面の酸化物や塗布されたMgOの量に応じて最適流量が変化するため、後述するように、炉内容積から算出されるガス流量よりも10～60％程度低い範囲に設定する必要がある。
次に、本発明を適用する方向性電磁鋼板の鋼素材（スラブ）が有すべき好ましい成分組成について説明する。なお、以下に記載の成分組成の残部はＦｅおよび不可避的不純物である。
Ｃ：0.020～0.080mass％
Ｃは、0.020mass％に満たないと、Ｃによる粒界強化効果が失われ、スラブに割れが生じるなど、製造に支障を来たす欠陥を生ずる、おそれがある。一方、0.080mass％を超えると、磁気時効の起こらない0.005mass％以下に脱炭焼鈍で低減することが困難となる、おそれがある。よって、Ｃは0.020～0.080mass％の範囲とするのが好ましい。より好ましくは、下限が0.025mass％であって、上限が0.075mass％である。
Ｓｉ：2.50～4.50mass％
Ｓｉは、鋼の比抵抗を高め、鉄損を低減するのに必要な元素である。この効果は、2.50mass％未満では十分に得られない、おそれがある。一方、4.50mass％を超えると、加工性が低下し、圧延して製造すること困難となる、おそれがある。よって、Ｓｉは2.50～4.50mass％の範囲とするのが好ましい。より好ましくは、下限が2.80 mass％であって、上限が4.00mass％である。
Ｍｎ：0.03～0.30mass％
Ｍｎは、鋼の熱間加工性を改善するために必要な元素である。この効果は、0.03mass％未満では十分に発現されない、おそれがある。一方、0.30mass％を超えると、製品板の磁束密度が低下する、おそれがある。よって、Ｍｎは0.03～0.30mass％の範囲とするのが好ましい。より好ましくは、下限が0.04 mass％であって、上限が0.20mass％である。
上記Ｃ、ＳｉおよびＭｎ以外の成分については、二次再結晶を生じさせるために、インヒビターを利用する場合と、しない場合とに分けられる。
まず、二次再結晶を生じさせるためにインヒビターを利用する場合で、例えば、AlN系インヒビターを利用するときには、ＡｌおよびＮを、それぞれＡｌ：0.010～0.040mass％、Ｎ：0.003～0.012mass％の範囲で含有させるのが好ましい。また、MnS・MnSe系インヒビターを利用する場合には、前述した量のＭｎと、Ｓ：0.002～0.030mass％およびＳｅ：0.003～0.030mass％のうちの１種または２種を含有させることが好ましい。それぞれ添加量が、上記下限値より少ないと、インヒビター効果が十分に得られず、一方、上限値を超えると、インヒビター成分がスラブ加熱時に未固溶で残存し、磁気特性の低下をもたらす。なお、AlN系とMnS・MnSe系のインヒビターは併用してもよい。
インヒビターを利用しない場合は、Ａｌ：0.010mass％以下、Ｎ：0.005mass％以下、Ｓ：0.005mass％以下、Ｓｅ：0.005mass％以下の範囲に抑制することが好ましい。
上記成分以外に、磁気特性の改善を目的として、Ｎｉ：0.010～1.500mass％、Ｃｒ：0.01～0.50mass％、Ｃｕ：0.01～0.50mass％、Ｐ：0.005～0.200mass％、Ｓｂ：0.005～0.200mass％、Ｓｎ；0.005～0.500mass％、Ｂｉ：0.005～0.050mass％、Ｍｏ：0.005～0.100mass％、Ｂ：0.0002～0.0025mass％、Ｔｅ：0.0005～0.0100mass％、Ｎｂ：0.001～0.030mass％、Ｖ：0.001～0.010mass％、Ｗ：0.002～0.050mass％、Ｔｉ：0.001～0.050mass％およびＴａ：0.001～0.050mass％のうちから選ばれる１種または２種以上を適宜添加してもよい。
なお、これらの成分において、Ｃｕは上限を超えると表面割れが発生しやすくなり、Ｐ、Ｓｎは上限を超えると圧延時に破断しやすくなる。また、Ｍｏ、Ｂｉは上限を超えると抑制力が強くなりすぎて二次再結晶が不安定化し、Ｎｂ，Ｔｉは上限を超えると、最終製品まで鋼中に残留して鉄損を劣化させる、おそれがある。さらに、その他の元素は上限を超えると被膜が劣化する、おそれがある。これらの点から上限が制限されることが好ましい。一方、それぞれの下限値は、添加効果が得られる観点から規定される。
次に、本発明の方向性電磁鋼板の製造方法について説明する。
前述した成分組成を有する鋼を常法の精錬プロセスで溶製した後、従来公知の造塊－分塊圧延法または連続鋳造法で鋼素材（スラブ）を製造してもよいし、あるいは、直接鋳造法で100ｍｍ以下の厚さの薄鋳片を製造してもよい。上記スラブは常法に従い、例えば、インヒビター成分を含有する場合には、1350℃程度まで加熱し、一方インヒビター成分を含まない場合は、1300℃以下の温度に加熱した後、熱間圧延に供する。なお、インヒビター成分を含有しない場合には、鋳造後加熱することなく直ちに熱間圧延してもよい。また、薄鋳片の場合には、熱間圧延してもよいし熱間圧延を省略してそのまま以後の工程に進めてもよい。
次いで、熱間圧延して得た熱延板または薄鋳片は、必要に応じて熱延板焼鈍を施す。この熱延板焼鈍の温度は、良好な磁気特性を得るためには、800～1150℃の範囲とするのが好ましい。すなわち、800℃未満では、熱間圧延で形成されたバンド組織が残留し、整粒の一次再結晶組織を得ることが難しくなり、二次再結晶の発達が阻害される。一方、1150℃を超えると、熱延板焼鈍後の粒径が粗大化し過ぎて、やはり整粒の一次再結晶組織を得ることが難しくなるからである。
熱間圧延後あるいは熱延板焼鈍後の熱延板または薄鋳片は、１回の冷間圧延または中間焼鈍を挟む２回以上の冷間圧延をして最終板厚の冷延板とする。上記中間焼鈍の焼鈍温度は、900～1200℃の範囲とするのが好ましい。900℃未満では、中間焼鈍後の再結晶粒が細かくなり、さらに一次再結晶組織におけるGoss核が減少して製品板の磁気特定が低下する傾向がある。一方、1200℃を超えると、熱延板焼鈍のときと同様、結晶粒が粗大化し過ぎて整粒の一次再結晶組織を得ることが難しくなる。
また、最終板厚とする冷間圧延（最終冷間圧延）は、冷間圧延時の鋼板温度を100～300℃に上昇させて行うことや、冷間圧延の途中で100～300℃の温度で時効処理を１回または複数回施すことが、一次再結晶集合組織を改善し、磁気特性を向上させるのに有効である。
最終板厚とした冷延板には、その後、一次再結晶焼鈍を兼ねた脱炭焼鈍を施す。本発明では、脱炭焼鈍後の鋼板につき、該鋼板表面のFTIR測定でのファイアライト（Fe２SiO４）とクリノフェロシライト（FeSiO３）の吸光度に基づく、吸光度比の和（前記式１）が45％以上となるようにすることが重要である。
そのための脱炭焼鈍の条件としては、焼鈍温度は700～900℃、保持時間は30～300秒の範囲とする。脱炭焼鈍の焼鈍温度が700℃未満、もしくは保持時間が30秒未満では、脱炭が不十分となるか、または一次再結晶粒径が小さくなるため、磁気特性が劣化する。一方で、同温度が900℃を超えたり同時間が300秒を超えたりすると、一次粒径が大きくなりすぎて、やはり磁気特性が劣化する。
さらに、脱炭焼鈍は、上記した焼鈍温度域に加熱する加熱工程および加熱後の温度域に上記した保持時間で保持する均熱工程からなる。そして、該均熱工程は、サブスケールの厚みを制御するための前段と、サブスケールと焼鈍分離剤の反応性を調整するための後段に分けることができ、少なくとも前段は湿水素雰囲気とし、かつ雰囲気の露点を45～60℃とする。
すなわち、均熱工程の少なくとも前段の雰囲気の露点を45～60℃とするのは、45℃よりも低いと十分なサブスケール量が得られず、ひいては下地被膜の形成が不十分となる。また雰囲気露点が60℃よりも高いと、下地被膜の形成量が過多となり、下地被膜の密着性が劣化する、おそれがある。
上記の湿水素雰囲気のＨ２濃度については常法どおり、40％から80％の範囲で行うことが可能である。そして、上記の範囲の露点およびＨ２濃度を変更して、雰囲気酸化性ｐH２O/ｐH２を調整することにより、上記したA1、A2およびA3の吸光度を調節することができる。かかるｐH２O/ｐH２は0.3～0.55の範囲が望ましい。
また、脱炭焼鈍の均熱工程の前段以外においても、湿水素雰囲気とし、かつ雰囲気の露点は45～60℃の範囲とすることが望ましい。或いは、加熱工程や、均熱工程の各段階で雰囲気を変更することも可能である。さらに、均熱工程の後段では、乾水素雰囲気とすることも可能である。
上記の通り、均熱領域は、前段と後段の２段に分けることができる。前段と後段では、均熱温度、焼鈍雰囲気の酸化性ｐH２O/ｐH２の両方、もしくはいずれかを異なる条件とすることが好ましい。なぜなら、サブスケールをより精密に制御することができるからである。
すなわち、均熱温度を変える場合は、前段と後段の温度差を20℃以上とすることが好ましい。一方、酸化性を変える場合は、ｐH２O/ｐH２の差を0.2以上変化させる。いずれの場合も変更量は特に限定されるものではないが、一般に、温度に関しては後段が前段よりも高温であり、また、酸化性に関しては後段が前段よりも低ｐH２O/ｐH２であることが多い。本発明では、これらの条件を踏襲することが可能である。
さらに、上記前段は、さらに複数段に分けることが可能であり、この場合は後段とその前の段の温度および／またはｐH２O/ｐH２の差を上記した条件となるようにすればよい。
ただし、上述の吸光度比A1、A2およびA3は、素材成分や脱炭焼鈍の前工程によって変化する可能性があるため、製造履歴に応じて、上記した脱炭焼鈍各条件の範囲内において、さらに焼鈍条件を調整する必要がある。
例えば、鋼素材中のＳｉ量が３mass％以下の低めの含有量であれば、吸光度比が低下傾向となるため、露点を高めに設定する。他にも、脱炭焼鈍前の鋼板表面の清浄度（例えば脱炭焼鈍前の酸素目付量）が0.1g/m２以上の高い条件であれば、露点を低めに設定することも効果的である。また、吸光度比を高めるために、脱炭焼鈍の加熱工程の露点を高めに設定し、均熱工程の露点を低めに設定することも可能である。
これらの処理は特に限定されるものでなく、吸光度比を本発明に従う所望の範囲に収めることができれば、上記した脱炭焼鈍各条件の範囲内における、いずれの条件を用いてもよい。
次に、脱炭焼鈍後に焼鈍分離剤を塗布して仕上焼鈍を施す。かかる仕上焼鈍において、少なくとも950℃から1100℃までの温度範囲をＨ２含有雰囲気とするとともに、該温度域のガス流量を、鋼板の表面積当たりで1.0×10－５～7.6×10－５NL/minの範囲とすることが、上述した通り本発明の重要な点である。なお、この温度範囲は、焼鈍分離剤のMgOが鋼板表面の(Fe,Mn)2SiO４との置換反応によりＦｅやＭｎを被膜中に濃化させる温度範囲である。
通常、仕上焼鈍におけるガス流量は炉内の容積に応じて決められることが多いが、本発明では、前述のとおり鋼板の表面積に応じてガス流量の範囲を設定することが重要となる。なぜなら、炉内の容積に応じたガス流量では、ガス流量が多すぎてしまうからである。すなわち、ガス流量が1.0×10－５NL/min未満では、ガスを入れる効果そのものが低下して被膜形成不良となるからである。一方、ガス流量が7.6×10－５NL/minを超えると、Ｆｅ、ＭｎがMgO中に移行するため、やはり磁区細分化での被膜の耐剥離性が劣化してしまう。
なお、上記の温度範囲の雰囲気のＨ２濃度は低くてもよいが、目安としては、0.1vol％以上、さらに望ましくは0.5vol％以上とする。上限は100vol％であってよい。なお、100vol％未満の場合に雰囲気をバランスさせるガスとしては、Ｎ２やＡｒ等を主に用いることが可能である。
仕上焼鈍後の鋼板コイルは、鋼板表面に付着した未反応の焼鈍分離剤を除去するための水洗やブラッシング、酸洗等を行い、その後、コーティング液を塗布、乾燥後焼き付けて平坦化焼鈍を行い、磁区細分化処理用の鋼板とする。
かくして得られた鋼板は、下地被膜のヤング率が108～144GPaであり、かつ、下地被膜中のＭｎ＋Ｆｅ濃度が0.05～5.0mass％となる。
なお、下地被膜のヤング率が108GPa未満になると被膜密着性そのものが劣化する。一方、下地被膜のヤング率が144GPaを超えると磁区細分化により被膜破壊が起こる。
下地被膜中のＭｎ＋Ｆｅ濃度が0.05mass％未満になると磁区細分化により発生する熱応力をこれらの元素が吸収することができなくなり被膜破壊が起こる。一方、Ｍｎ＋Ｆｅ濃度の上限は特に限定されないが、生産性等を考慮すると5.0mass％程度が好ましい。
ここで、下地被膜中のＭｎ、Ｆｅ濃度の分析方法はEPMAやオージェ電子分光、SIMS等、通常鋼板のＭｎや、Ｆｅの濃度分析に用いられるいずれの分析法を用いてもよい。
磁区細分化処理方法としては、一般的に実施されているような、最終製品板に、レーザー照射や電子ビーム照射、プラズマジェット等で線状または点状に熱歪や衝撃歪を導入する方法を用いることができる。
このようにして製造された方向性電磁鋼板は、高い被膜密着性を持つことにより耐食性、絶縁性が優れているばかりでなく、磁区細分化の照射エネルギーを十分高めても被膜剥離が生じないため、照射エネルギーを理想的な強度まで高めることにより、鉄損を改善する効果も得られる。
また、本発明に従う製造方法では、本明細書に記載のない項目は、いずれも常法を用いることができる。
なお、本発明に従う上記方向性電磁鋼板の成分組成は、前述した成分組成を有する鋼に、上記した製造方法を適用して得られる鋼板の成分組成になる。
具体的には、Ｃ：0.005mass％以下、Ｓｉ：2.5～4.5mass％およびＭｎ：0.03～0.30mass％、Ａｌ：0.010mass％以下、Ｎ：0.005mass％以下、Ｓ：0.005mass％以下、Ｓｅ：0.005mass％以下を含み、残部Feおよび不可避的不純物である。
また、Ｎｉ：0.010～1.500mass％、Ｃｒ：0.01～0.50mass％、Ｃｕ：0.01～0.50mass％、Ｐ：0.005～0.200mass％、Ｓｂ：0.005～0.200mass％、Ｓｎ；0.005～0.500mass％、Ｂｉ：0.005～0.050mass％、Ｍｏ：0.005～0.100mass％、Ｂ：0.0002～0.0025mass％、Ｔｅ：0.0005～0.0100mass％、Ｎｂ：0.001～0.030mass％、Ｖ：0.001～0.010mass％、Ｗ：0.002～0.050mass％、Ｔｉ：0.001～0.050mass％およびＴａ：0.001～0.050mass％のうちから選ばれる１種または２種以上をさらに含むことができる。
[実施例１]
Ｃ：0.070mass％、Ｓｉ：3.43mass％、Ｍｎ：0.08mass％、Ａｌ:0.005mass％、Ｎ：0.004mass％、Ｓ：0.002mass％およびＳｂ：0.02mass％を含み、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなる鋼スラブを連続鋳造法で製造し、1250℃の温度に加熱した後、熱間圧延して、板厚2.4ｍｍの熱延板とし、1000℃×50秒の条件の熱延板焼鈍を施した後、一次冷間圧延により板厚1.8ｍｍの中間板厚とし、1100℃×20秒の条件の中間焼鈍を施した後、二次冷間圧延して最終板厚が0.27ｍｍの冷延板に仕上げ、該冷延板に脱炭焼鈍を施した。脱炭焼鈍は、50vol％H２－50vol％N２、露点57℃の湿潤雰囲気下、840℃で100秒保持することにより、ファイヤライトとクリノフェロシライトの吸光度比の和を60％に調整した。その後、酸化マグネシウムを主体とする焼鈍分離剤を鋼板表面に塗布し、乾燥した。
この鋼板に、仕上焼鈍として、950℃までをＮ２雰囲気、次いで950℃から1100℃までをＨ２＋Ａｒの混合条件を種々に変更した雰囲気、そして1100℃から1170℃までをＨ２雰囲気にて25℃/hで昇温し、引き続き1170℃、10時間でＨ２雰囲気にて保定する純化を兼ねた焼鈍を行った。この仕上焼鈍の昇温過程において、雰囲気のＨ２ガス流量を鋼板表面で3.0×10－５NL/minとした。
かくして得られたフォルステライト質の下地被膜を有する仕上焼鈍板について、下地被膜部分のヤング率をナノインデンテーションにより評価するとともに、下地被膜中のＭｎ，Ｆｅ濃度をオージェ電子分光法により定量した。
その後、仕上焼鈍板コイルに、コーティング液を塗布、乾燥後、800℃×20秒の条件の平坦化処理を施して製品板とした。その後、製品板に、照射パワーを90mA/mm２で電子ビーム照射し、被膜を顕微鏡観察して下地被膜剥離の有無を調査した。このときの調査結果を表２に示す。
Figure 0007428259000002
表２から、本発明を適用することで、電子ビーム照射時の下地被膜剥離を防止できていることが分かる。
[実施例２]
表３に記載の成分組成を有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる鋼スラブを連続鋳造法で製造し、1380℃の温度に加熱した後、熱間圧延して板厚2.0mmの熱延板とし、1030℃×10秒の条件の熱延板焼鈍を施した後、冷間圧延して最終板厚が0.23mmの冷延板に仕上げた。その後、脱炭焼鈍を施して鋼板とした。脱炭焼鈍の前段は840℃×100秒、50vol％H２－50vol％N２の雰囲気の条件で露点を鋼種ごとに調整し、脱炭焼鈍の後段は870℃×10秒、100vol％Ｈ２、露点10℃に固定して、ファイヤライトとクリノフェロシライトの吸光度比の和が45％以上となるように調整した。その後、酸化マグネシウムを主体とする焼鈍分離剤を鋼板表面に塗布し、乾燥した。
この鋼板に、仕上焼鈍として、950℃までをAr雰囲気、次いで950℃から1100℃までをＨ２濃度を種々に変更したＨ２含有雰囲気、そして1100～1170℃までをＨ２雰囲気にて25℃/hで昇温し、引き続き1170℃10時間Ｈ２雰囲気で保定する純化を兼ねた焼鈍を行った。この仕上焼鈍の昇温過程において、雰囲気のＨ２ガス流量を鋼板表面で3.0×10－５NL/minとした。
かくして得られたフォルステライト質下地被膜を有する仕上焼鈍板について、下地被膜部分のヤング率をナノインデンテーションにより評価するとともに、下地被膜中のＭｎ、Ｆｅ濃度をオージェ電子分光法により定量した。
次いで、仕上焼鈍板コイルに、コーティング液を塗布、乾燥後、800℃×20秒の条件の平坦化処理を施して製品板とした。その後、製品板に、照射パワーを90mA/mm２で電子ビーム照射し、被膜を顕微鏡観察して被膜剥離の有無を調査した。このときの調査結果を表３に示す。
Figure 0007428259000003
表３から、本発明を適用することで、電子ビーム照射時の被膜剥離を防止できていることが分かる。

Claims (2)

  1. フォルステライト質の被膜を有し、Ｍｎを含有する方向性電磁鋼板において、該被膜の、Ｍｎ＋Ｆｅ濃度が0.05mass％以上、かつヤング率が108～144GPaである方向性電磁鋼板。
  2. 請求項１に記載の方向性電磁鋼板を製造する方法であって、
    Ｍｎを含有する方向性電磁鋼板用鋼素材を、熱間圧延し、次いで１回または中間焼鈍を挟む２回以上の冷間圧延により最終板厚とし、さらに一次再結晶を兼ねた脱炭焼鈍を施した後、鋼板表面に50mass％以上のMgOを含有する焼鈍分離剤を塗布して仕上焼鈍し、必要に応じて上記仕上焼鈍後の未反応分離剤を除去したのち平坦化焼鈍する方向性電磁鋼板の製造方法であって、
    上記脱炭焼鈍の条件を、焼鈍温度：700～900℃、均熱時間：30～300秒、均熱工程の少なくとも前段での湿水素雰囲気の露点：45～60℃の範囲内において、それぞれ調整することにより、上記脱炭焼鈍後の鋼板表面の、フーリエ変換赤外線吸収スペクトル法（FTIR）によって測定される、ファイヤライト、クリノフェロシライトおよびシリカの吸光度をそれぞれA1、A2およびA3としたときの、｛(A1＋A2)／（A1＋A2＋A3）｝×100を45％以上にするとともに、
    上記仕上焼鈍において、少なくとも950℃から1100℃までの温度範囲をＨ２含有雰囲気とし、かつ上記温度範囲のガス流量を鋼板の表面積１ｍ２当たり1.0×10－５～7.6×10－５（NL／min）の範囲とする方向性電磁鋼板の製造方法。
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